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　　利用分布式控制器可以平衡负载,提升SDN的整体性能.特别地,对于层次控制器(如Kandoo)来说,利用局部控制器承担交换机的多数请求,全局控制器则可以更好地为用户提供服务.然而,分布式控制器架构亦存在可用性问题.由于每个控制器需要处理不同的交换机,网络流量分布不均匀,导致某些控制器可用性降低.针对该问题,ElastiCon采用负载窗口的方式来动态调整各控制器间的流量.ElastiCon周期性地检查负载窗口,当负载窗口的总负荷发生改变时,将动态扩充或压缩控制器池,以适应当前实际需求.如果负载超过控制器池最大值时,则需要另外增加新的控制器,以保证网络的可用性.

　　减少交换机的请求次数,可以提升控制层的可用性.DIFANE架构旨在解决数据平面转发规则粒度过细和对集中控制依赖的问题.在DIFNAE中,对于SDN传统的流处理都交给了数据层,如交换机不再将每流的第1个数据包传到控制器等.控制器的任务仅是划分规则,并将规则主动下发到数据层面.因此,DIFANE可适应大规模的网络拓扑结构和处理更多的转发规则.DevoFlow则按粒度将数据流分成长短流,并在转发器上建立一些特定规则,使数据层能够直接处理短流,仅有少量的长流才交由控制层处理.根据Zipf定律,长流数量远少于短流数量.因此,DevoFlow采用的策略可以最大程度地降低控制器负载,提升控制器的可用性.

　　3.容错性

　　与传统的互联网类似,SDN同样面临着网络节点或链路失效的问题.然而,SDN控制器可以通过全网信息快速恢复失效节点,具有较强的容错能力.网络节点恢复收敛过程:①当某台交换机失效时,其他交换机察觉出变化;②交换机将变化情况通知控制器;③控制器根据所掌握的信息,计算出需要恢复的规则;④将更新发送给数据平面中受到影响的网络元素;⑤数据平面中受影响的元素分别更新流表信息.

　　从链路恢复过程可以看出:在SDN架构中,失效信息一般不是通过洪泛方式通知全网,而是直接发送给控制层,并由控制器来做恢复决策,因而不易出现路由振荡的现象.如果是交换机和控制器之间的链接失效,导致无法通信,则收敛过程相对困难.可以采用传统网络的IGP(如OSPF协议)通信,并通过洪泛方式恢复,也可以采用故障转移(failover)方式,同样能够缓解链路失效收敛时间问题.通过在交换机上安装用于验证拓扑连接性的静态转发规则,可以更好地实现网络故障的快速收敛.

　　为了避免由于手动配置导致节点失效,控制层提供了一种高级网络容错语言FatTire.用户可以通过FatFire语言指定网络当前的容错度,并根据网络状况自主指定流路径.FatTire语言编译器具有网内快速恢复机制,可以将用户错误的网络配置迅速恢复回来,提升了控制层的容错性.

　　4、SDN应用研究

　　随着SDN的快速发展,SDN已应用到各个网络场景中,从小型的企业网和校园网扩展到数据中心与广域网,从有线网扩展到无线网.无论应用在任何场景中,大多数应用都采用了SDN控制层与数据层分离的方式获取全局视图来管理自己的网络.

　　4.1企业网与校园网

　　在企业网或校园网的部署应用多见于早期的SDN研究中,为SDN研究发展提供了可参考的依据.

　　在之后的实际部署中,由于不同企业或校园对SDN的需求存在差异性,无法根据自身的特点进行部署.针对该问题,研究人员完善了SDN的功能,支持对企业网和校园网的个性管理.精灵架构允许企业网根据各自需求自主增加新功能,该架构采用外包的形式进行,并且支持企业网增加终端主机、部署中间件、增加交换机和路由器等.Kim等人进一步研究了利用SDN改善网络管理,更好地支持校园网的部署.网络部署一致性问题同样引起了关注,用户通过SDN管理网络时仍然会出现网络转发拓扑循环和无效配置等问题.OF.CPP则利用ACID(数据库事务正确执行的四要素)思想较好地修复了这些问题,有利于企业网络统一部署.

　　第二代中国教育和科研计算机网(ChinaEducationandResearchNetworkII,简称CERNET2)采用4over6技术将百所院校连接在一起,提供了IPv4应用和IPv6应用接入和互通互访等服务.4over6描述了IPv4网络向IPv6网络过渡的技术,它借鉴了SDN网络虚拟化的思想,将IPv4网络和IPv6网络从数据层分离出来.由于IPv4和IPv6传输数据的基本原理相同,因此数据层能够对IPv4和IPv6两者都提供传输服务,实现转发抽象.同时,还可分别为IPv4服务提供商和IPv6服务提供商提供更方便的管理机制,便于IPv4网络向IPv6网络的迁移,满足所有IPv6网络过渡的需求.

　　4.2数据中心与云

　　除了在企业网与校园网部署之外,数据中心由于设备繁杂且高度集中等特点,相关SDN部署同样面临着严峻的挑战.早期部署在数据中心的实例为基于NOX的SDN网络,随后,在数据中心的部署应用得到极大的发展.其中,性能和节能是部署过程中重点考虑的两个方面.

　　数据中心成千上万的机器会需要很高的带宽,如何合理利用带宽、节省资源、提高性能,是数据中心的另一个重要问题.Cui等人通过对每台路由器和服务器进行信息缓存,利用SDN掌握全网缓存信息,能够有效解决数据中心的数据传输冗余问题.在数据中心,每个路由器和服务器都可以进行信息缓存.当两台服务器第1次通信时,所在路径的路由器将信息缓存下来.当服务器再次发起相关通信时,为了获取最近距离的缓存,SDN根据全网信息给出最优缓存任务分配.此时,服务器无需到目的地址去获取信息,从而消除了数据传输冗余.

　　Hedera采用了OpenFlow交换机,通过中央控制器掌握数据中心的全局信息,方便控制器优化带宽,比等价多路径(equal-costmultipathrouting,简称ECMP)技术可提升至4倍的带宽能力.DevoFlow考虑避免数据中心交换机对控制器过多的干扰,将大多数流处理放到交换机上处理,从而提高了数据中心传输的整体性能.

　　zUpdate则利用SDN确保在数据中心几乎无任何性能影响的情况下更新设备.

　　节能一直是数据中心研究中不容忽视的问题.由于数据中心具有大规模互联网服务稳定性和高效性等特性,常以浪费能源为代价.然而通过关闭暂时没有流量的端口,仅能节省少量能耗,最有效的办法是通过SDN掌握全局信息能力,实时关闭暂未使用的设备,当有需要时再打开,将会节省约一半的能耗.利用率低同样会导致数据中心能耗较高.在数据中心,每个流在每个时间片通过独占路由的方式,可提高路由链路的利用率.利用SDN掌握全网信息,公平调度每个流,使路由链路得到充分利用,进而节省了数据中心的能量.

　　有了数据中心作保障,用户可以通过云网络方便进行网络管理.不过,基于云环境的网络拓扑是多变的,而通过SDN可以获取全局信息,实现云网络管理[89].IBM[90]针对云网络管理提出了云控制器和网络控制器结合的SDN架构.云控制器用来方便用户配置信息,管理物理资源,设置虚拟机和分配存储空间等.网络控制器则用来将云控制器收集的指令转换成SDN设备可识别的指令.为了能够完成两个控制器之间的交互,IBM提供了一种共享图算法库NetGraph.该库支持多种网络服务,包括广播、路由计算、监控、服务质量及安全隔离等.此外,SDN可以有效改善云性能,保证流量负载均衡.

　　4.3广域网

　　广域网连接着众多数据中心,这些数据中心之间的高效连接与传输等流量工程问题,是众多大型互联网公司努力的目标.为了能够提供可靠的服务,应确保当任意链路或路由出现问题时仍能使网络高效运转.

　　传统的广域网以牺牲链路利用率为代价,使得广域网的平均利用率仅为30%~40%[94],繁忙时的链路利用率也仅为40%~60%.为了提高利用率,Google公司搭建了基于SDN架构的B4系统.该系统利用SDN获取全局信息,并采用ECMP哈希技术来保证流量平衡,实现对每个私人应用的平等对待,确保每位用户的应用不会受到其他用户应用的影响.通过近些年实际的运行测试结果表明:该系统最高可达到几乎100%的资源使用率,长期使用率稳定在平均70%的水平上.此外,由于B4系统采用的是Google公司专用设备,保证提升利用率的效果达到最佳.

　　与B4系统基本原理类似,微软公司的SWAN系统同样利用SDN体系结构实现数据中心间高效的利用率.它实现的手段是:当通过SDN全网信息观测到某条链路需求较低时,SWAN控制数据层的数据通路迅速切换至该链路来传输数据,从而保持所有链路长时间的高效利用率.SDN技术保障了SWAN能够进行全局观测以及流量工程的合理运用,确保资源利用率长期处于60%以上.相对于B4系统,SWAN系统采用的是传统设备,便于设备的更新与维护,更利于该系统的普及.

　　4.4无线网络

　　SDN技术研究初期就开始部署在无线网络之中,目前已广泛应用在无线网络的各个方面.OpenRoads利用OpenFlow和NOX在校园网搭建了无线SDN平台,该平台分别在WiFi热点和WiMAX基站增加OpenFlow设备,并使用NOX控制器与OpenFlow设备进行无线通信.Odin则利用SDN技术在企业网上搭建无线局域网(wirelesslocalareanetwork,简称WLAN),将企业WLAN服务作为网络应用来处理,确保网络的可管可控特性.

　　SDN同样可以简化设计和管理LTE网络.Li等人[98]采用转发设备上建立代理的方式来缓解控制器负载、降低响应时延等,从而方便用户使用LTE网络.OpenRadio[99]讨论了可编程的无线数据平面问题,它将无线网络分成处理平面(即数据层)和决策平面(即控制层),并设计了可编程的无线接口.通过OpenRadio,运营商仅需编写相应的数据转发规则,降低了对无线网络配置的复杂度.无线接入网(wirelessaccessnetwork,简称RAN)一般采用分布式算法来管理频谱(如2.4G和5G)和切入任务,设备规模比较大时,这样的工作变得十分复杂.SoftRAN[100]可利用SDN的全局信息快速、准确地协调基站RAN所管理的无线接入设备,合理分配频谱资源,降低传输能耗.

　　5、未来工作

　　SDN目前已经得到各方面的关注,不仅在学术界对SDN关键技术进行了深入研究,而且在产业界已经开始了大规模应用.SDN技术的出现带来了诸多机遇,同时也面临着更多的挑战.

　　(1)SDN可扩展性研究

　　可扩展性决定着SDN的进一步发展.OpenFlow协议成为SDN普遍使用的南向接口规范,然而OpenFlow协议并不成熟,版本仍在不断更新中.由于OpenFlow对于新应用支持力度不足,需要借助交换机的软硬件技术增强支持能力,为接口抽象技术和支持通用协议的相关技术带来发展契机.然而,应用的差异性增加了通用北向接口设计的难度,需要考虑灵活性与性能的平衡.提供数学理论支持的抽象接口语言成为了一种研究趋势.分布式控制器结构避免了单点失效的问题,提升了单一控制时网络的性能.然而,分布式控制器带来的同步和热备份等相关问题还需要进一步加以探索.

　　(2)SDN规模部署与跨域通信

　　鉴于SDN的种种优势,大规模部署SDN网络势在必行.实现由传统网络向SDN网络的转换,可以通过增量部署的方式完成.大规模部署SDN,需要充分考虑网络可靠性、节点失效和流量工程等问题,以适应未来网络的发展需求.此外,大规模SDN网络还存在跨域通信问题,如果不同域属于不同的经济利益实体,SDN将无法准确获取对方域内的全部网络信息,从而导致SDN域间路由无法达到全局最优.因此,SDN跨域通信将是亟待解决的问题之一.

　　(3)传统网络与SDN共存问题研究

　　随着SDN的持续发展,传统网络将与SDN长期共存.为了使SDN设备与传统网络设备兼容,节约成本,大多数设备生产厂商选择在传统设备中嵌入SDN相关协议,这样造成传统网络设备更加臃肿.采用协议抽象技术可确保各种协议安全、稳定地运行在统一模块中,从而可减轻设备负担,成为兼容性研究进展的趋势之一.中间件(MiddleBox)在传统网络中扮演着重要角色,例如网络地址转换(networkaddresstranslation,简称NAT)可以缓解IPv4地址危机问题、防火墙可以保证安全问题等.然而中间件种类繁多,且许多设备都被中间件屏蔽,无法灵活配置,造成SDN与传统网络无法兼容.建立标签机制,统一管理中间件,将逻辑中间件路由策略自动转换成所需的转发规则,以实现对存在中间件网络的高效管理.

　　(4)SDN在数据中心的应用研究

　　SDN具有集中式控制、全网信息获取和网络功能虚拟化等特性,利用这些特性,可以解决数据中心出现的各种问题.例如在数据中心网络中,可以利用SDN通过全局网络信息消除数据传输冗余,也可利用SDN网络功能虚拟化特性达到数据流可靠性与灵活性的平衡.可以预见,SDN在数据中心提升性能和绿色节能等方面仍然扮演着十分重要的角色.

　　(5)借鉴SDN思想融合IPv6过渡机制

　　传统互联网面临着IPv4地址耗尽的问题,解决这个问题最有效的办法是全网使用IPv6地址.然而IPv4互联网规模大、服务质量高,短时间内难以实现全网IPv6.为了实现平滑过渡,IPv6过渡技术成为当前互联网的热点.现存的IPv6过渡机制种类繁多,适用场景局限.利用SDN掌握全局信息的能力来融合各种过渡机制,可充76JournalofSoftware软件学报Vol.26,No.1,January2015分提升过渡系统的灵活性,最终实现IPv6网络的快速平稳过渡.因此,SDN将成为IPv6过渡技术中可借鉴的指导思想之一.

　　(6)SDN与其他新型网络架构融合